JP2005250376A - 光変調器及び光変調器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、犠牲層をアンダーエッチングすることなく、簡便に精度よく光学ギャップを形成可能な光変調器を提供することを目的としている。
【解決手段】 底部が可動部１０９となる第一の凹部１０３が設けられ、可動部１０９に可動反射膜１０５が形成された第一の基板１００と、第一の凹部１０３と対向する位置に第一の凹部１０３の径よりも小さい径を有する第二の凹部２０３が設けられ、第二の凹部２０３の底部に固定反射膜２０７が形成された第二の基板２００と、を備え、第一の凹部１０３の深さが可動反射膜１０５の可動範囲を定め、可動反射膜１０５と固定反射膜２０７との間隔により光学ギャップＸが定められる光変調器１により、上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、透過させる光を変調する技術に関し、詳しくは、干渉性光変調を利用した光変調器及びその製造方法に関する。

光変調器は、光学系における光の透過率、屈折率、反射率、偏向度、干渉性等の光学的パラメータを変調信号に応じて変化させて通過光に所要の光強度や色等を生じさせる装置である。
例えば、光の干渉を利用した光変調器では、変調信号によって位置が微小変化する可動反射膜を使用して光経路を異にする光波を重畳し、両波の干渉を利用して光の強度や色を変化させている。このような干渉型の光変調器では、可動反射膜の位置を正確に変位させる機構が必要となる。

例えば、特開平２００２−１７４７２１号公報（特許文献１）に記載の光変調器は、基板（固定反射膜）と可動反射膜との間に犠牲層を設けた後、この犠牲層をアンダーエッチングにより除去することにより、光学ギャップを形成している。

また、米国特許第６３４１０３９号明細書（特許文献２）に記載の光変調器は、シリコンウェハの一方の面を酸化し、酸化層が形成された面にさらにシリコンウェハを貼り合せた基板を用い、この酸化層を犠牲層としてアンダーエッチングを行い光学ギャップを形成している。
特開平２００２−１７４７２１号公報 米国特許第６３４１０３９号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、犠牲層の厚みにより光学ギャップの初期間隔が定まるので、犠牲層の形成条件によってはこの初期間隔にバラツキが生じる場合がある。よって、固定反射膜側に形成された駆動電極（固定電極）と可動反射膜との間に働く静電力にも変動を生じ、駆動の安定化が図れないという虞がある。また、この方法は、成膜と犠牲層エッチングを繰り返し行うため、作業工程が複雑であるという問題があった。

また、特許文献１及び２に記載の光変調器は、双方とも犠牲層をアンダーエッチングにより除去することで光学ギャップを形成している。犠牲層をアンダーエッチングし、可動反射膜を形成する可動部をリリースするには、エッチング液を犠牲層に導入するためのリリースホールを可動部に形成する必要がある。このため、可動部を駆動するための静電力が作用する面積が減り、駆動電圧が増加してしまうという問題が生じる。また、光学ギャップを小さくした場合には、可動部をリリースする際に可動反射膜と固定反射膜との間にエッチング液の表面張力によりスティッキング（貼り付き現象）が発生する場合がある。

したがって、犠牲層をアンダーエッチングする必要のない構造が求められている。
そこで、本発明は、犠牲層をアンダーエッチングすることなく、簡便に精度よく光学ギャップを形成可能な光変調器を提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するために、底部が可動部となる第一の凹部が設けられ、前記可動部に可動反射膜が形成された第一の基板と、前記第一の凹部と対向する位置に前記第一の凹部の径よりも小さい径を有する第二の凹部が設けられ、当該第二の凹部の底部に固定反射膜が形成された第二の基板と、を備え、前記第一の凹部の深さが可動反射膜の可動範囲を定め、前記可動反射膜と前記固定反射膜との間隔により光学ギャップが定められる光変調器を提供するものである。

本発明の光変調器は、第一の凹部を有する第一の基板と第二の凹部を有する第二の基板により出射する光の波長を決定する光学ギャップを形成しているので、犠牲層をアンダーエッチングする必要がない。よって、犠牲層にエッチング液を導入するためのリリースホールを形成する必要がなく、可動反射膜を駆動する力を作用させる面積を減少させることがない。また、可動反射膜と固定反射膜との間に生じるエッチング液の表面張力によるスティッキング（貼り付き現象）の問題等を回避することが可能となる。また、凹部を形成した基板同士を接合することで製造し得るので、簡便に製造し得る。さらに、従来の犠牲層を形成し可動反射膜をその上に形成した後、犠牲層を除去する方法では、犠牲層の成膜条件によってギャップバラツキが生じたが、本発明では、犠牲層を介することなく、形成した凹部の深さがそのまま可動反射膜と固定反射膜の初期間隔を定めることになるので、可動反射膜と固定反射膜の光学ギャップの初期間隔を精度よく制御し得る。

例えば、前記第一の基板としてシリコン基板を、前記第二の基板としてガラス基板を好適に用いることができる。第一の基板としてシリコン基板、第二の基板としてガラス基板を用いると、第一の凹部と第二の凹部の形成にエッチングを利用することが可能となるので、精度よく可動反射膜と固定反射膜との初期間隔を定める凹部を形成することが可能となる。

また、前記第一の基板として複数のシリコン層の間に絶縁層を備えた積層基板を、前記第二の基板としてガラス基板を好適に用いることができる。複数のシリコン層の間に絶縁層を備えた積層基板を用いた場合、絶縁層をエッチングストッパとして利用することが可能となるので、可動反射膜の可動範囲、及び可動反射膜と固定反射膜との初期間隔を定めることになる第一の凹部の深さをより容易に管理し得る。

また、前記可動部を前記凹部の底部に向けて付勢する付勢手段をさらに備えてもよい。このような付勢手段としては、可動部を電極とし、凹部の底部に電極を設け、両者により生じる静電力を利用したものであってもよい。また、電磁力方式を利用したものであってもよい。
好ましくは、前記可動部と前記第二の基板に設けられた電極とに電圧を付与することにより生じる静電力により前記可動部が駆動可能に構成されていることが望ましい。これによれば、簡易な構造で可動部を駆動することが可能となる。

また、前記第二の基板に設けられる電極は、前記第二の基板の前記第二の凹部の周囲であって、前記第一の基板の前記第一の凹部に対応する範囲に含まれるよう形成されることが好ましい。これによれば、可動反射膜と固定反射膜との間隔（ギャップ）を広くとりながら、可動部と第二の基板に設けられる電極との距離を短くすることが可能となるので、可動部を駆動するための駆動電力を低減することが可能となる。すなわち、第一の基板の第一の凹部と第二の基板の第二の凹部の径の大きさが異なることで、第一の凹部と第二の凹部により段差が形成される。この段差を利用して、第二の基板の第二の凹部の周囲に可動反射膜を駆動させる力を生じさせる静電電極等の作用部を形成すれば、光の変調に利用し得る領域を広く確保しながら、作用部と可動反射膜との距離（例：静電ギャップ）を縮めることができるので、駆動電力を低減することが可能となる。

前記可動部の前記第二の凹部と対向する面全体に前記可動反射膜が形成されており、当該可動反射膜が電気的絶縁性を有することが好ましい。本発明では、第一の凹部の可動部となる底部に可動反射膜を形成した後、第二の基板と接合し製造することによりギャップを形成することができるので、可動反射膜を可動部全面に形成し得る。したがって、可動部が直接第二の基板側に形成された電極に接触することにより生じる短絡、融着等の問題を回避することが可能となる。

前記第一の基板が、底部を構成する底部基板と当該底部基板に接合される枠体とから構成されていてもよい。これによれば、枠体の厚みで第一の凹部深さを定めることが可能となるので、可動反射膜の可動範囲を定める第一の凹部の深さをより精度よく制御し得る。

本発明の他の態様は、第一の基板の一方の面をエッチングして、可動反射膜の可動範囲を定める第一の凹部を形成する第一工程と、第二の基板の一方の面をエッチングして、前記第一の凹部の径より小さい径を有する第二の凹部を形成する第二工程と、前記第一の凹部と前記第二の凹部が対向するように前記第一の基板と前記第二の基板を接合する第三工程と、前記第一の凹部の底部を可動部となる領域を残して除去することにより、当該底部に可動部を形成する第四工程と、を含む光変調器の製造方法である。

これによれば、光を変調するためのギャップを第一の基板と第二の基板に各々エッチングにより形成するので、簡便にギャップの距離を制御することが可能となり、精度の良い光変調器を容易に製造することが可能となる。また、第一の基板と第二の基板に異なる径の凹部を形成することで、容易に段差部を形成し得る。この段差部を利用して、例えば第二の基板の第二の凹部の周囲に可動反射膜を駆動させる力を生じさせる電極等の作用部を形成すれば、光の変調に利用し得る領域を広く確保しながら、作用部と可動反射膜との距離を縮めることができるので、駆動電力を低減し得る光変調器を提供することが可能となる。なお、第一工程と第二工程の順序は問わず、同時に進行してもよい。

前記第一の基板がシリコン基板であり、前記第二の基板がガラス基板であることが好ましい。これによれば、エッチングにより精度よく凹部を形成することが可能である。また、ガラス基板として、ホウケイ酸ガラス等のアルカリ金属を含むガラスを用いることで、第一の基板と第二の基板とを陽極接合することが可能となり、簡便に接合することが可能となる。

前記第一の基板が複数のシリコン層の間に絶縁層を含む積層基板であり、前記第一工程において、前記絶縁層をエッチングストッパとして利用することにより前記第一の凹部を形成することが好ましい。これによれば、絶縁層をエッチングストッパとして用いることができるので、可動反射膜の可動範囲を定める第一の凹部の深さ制御をより簡易に行うことが可能となる。

前記第一の基板が複数のシリコン層の間に少なくとも２層の絶縁層を含み、前記第一工程において、前記第一の基板の前記第一の凹部を形成する面と反対側の面の当該第一の凹部と対応する位置に、前記絶縁層をエッチングストッパとして利用することにより第三の凹部を形成する工程を含むことが好ましい。これによれば、第一の基板が複数の層構造を有する積層基板から構成されるので、第一の基板の強度を高めることができ、製造時のハンドリングを容易とすることが可能となる。

少なくとも前記第三工程において、前記第一の基板に、前記第一の基板を支持するための取り外し可能な支持部材が取り付けられていることが好ましい。これによれば、第一の基板のハンドリングが容易となる。

前記第三工程の前に、前記第二工程により得られたガラス基板の前記第二の凹部の周囲であって、前記第一の凹部と対向する位置に電極を形成することが好ましい。これによれば、可動反射膜を駆動するための電極を可動反射膜に近接する位置に形成することが可能となる。

前記第三工程の前に、前記第一の凹部の底面に可動反射膜となる反射層を形成することが好ましい。これによれば、第一の凹部の後に可動部となる領域全体にわたり可動反射膜を形成することが可能となる。これにより、駆動時に可動部側の電極が第二の基板側の電極に直接接触することによる電気的短絡を回避し得る光変調器を提供することが可能となる。

本発明の他の態様は、ガラス基板の一方の面をエッチングして、凹部を形成する第一工程と、前記ガラス基板の凹部が形成された面に第一のシリコン基板を接合する第二工程と、前記第一のシリコン基板の前記凹部と対応する位置に、当該凹部より大きな孔部を形成する第三工程と、前記第一のシリコン基板の反対側の面に第二のシリコン基板を接合する第四工程と、前記第二のシリコン基板を可動部となる領域を残して除去することにより、当該第二のシリコン基板に可動部を形成する第五工程と、を含む光変調器の製造方法である。

これによれば、厚みの定まった第一のシリコン基板に孔部を形成することにより、より精度よく可動反射膜の可動範囲を制御することが可能となる。
少なくとも前記第四工程において、前記第二のシリコン基板に、当該第二のシリコン基板を支持するための取り外し可能な支持部材が取り付けられていることが好ましい。これによれば、第二のシリコン基板のハンドリングが容易となる。

本発明の他の態様は、光が通過し得る材料から構成され、凹部が形成された第一の基板と、前記凹部を覆う可動部が形成された第二の基板と、前記凹部の底部に形成された固定反射膜と、前記可動部に形成された可動反射膜と、前記可動部を前記凹部の底部に向けて付勢する付勢手段と、前記可動反射膜と前記固定反射膜を予め定められた間隔に保つストッパと、を備え、前記可動反射膜と前記固定反射膜との間隔によって出射する光の波長を決定し得る光変調器である。

本発明の構成によれば、凹部を有する第一の基板と可動部を有する第二の基板により出射する光の波長を決定する光学ギャップを形成しているので、犠牲層をアンダーエッチングする必要がない。よって、犠牲層にエッチング液を導入するためのリリースホールを形成する必要がなく、可動反射膜を駆動する力を作用させる面積を減少させることがない。また、可動反射膜と固定反射膜との間に生じるエッチング液の表面張力によるスティッキング（貼り付き現象）の問題等を回避することが可能となる。また、凹部を形成した基板同士を接合することで製造し得るので、簡便に製造し得る。さらに、従来の犠牲層を形成し可動反射膜をその上に形成した後、犠牲層を除去する方法では、犠牲層の成膜条件によってギャップバラツキが生じたが、本発明では、犠牲層を介することなく、形成した凹部の深さがそのまま可動反射膜と固定反射膜の初期間隔を定めることになるので、可動反射膜と固定反射膜の光学ギャップの初期間隔を精度よく制御し得る。

前記ストッパが前記凹部の縁に沿って形成される段差であってもよい。このような段差は、例えば二段階に分けてエッチング処理を行うことにより形成し得る。具体的には、一回目のエッチング処理により、第一の凹部を形成し、当該第一の凹部の底部にさらにエッチング処理を行うことにより、当該第一の凹部の径よりも小さな凹部を形成することにより得ることができる。

前記付勢手段が、前記凹部の縁に沿って形成された駆動電極であることが好ましい。これによれば、簡易な構造で可動部を駆動することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明について説明する。
＜第一の実施形態＞
図１は、本発明の光変調器の一例を示す図であり、図１（Ａ）は断面図、図１（Ｂ）は平面図を示す。

図１（Ａ）に示すように、光変調器１は、底部が可動部１０９となる凹部１０３が設けられ、この可動部１０９に可動反射膜１０５が形成された第一の基板１００と、凹部１０３と対向する位置に凹部１０３の径よりも小さい径を有する凹部２０３が設けられ、凹部２０３の底部に固定反射膜２０７が形成された第二の基板２００とを備え、構成されている。

本実施形態の光変調器１は、図示しない外部電源から可動部１０９と、第二の基板２００に設けられた固定電極２０５とに交流電圧を付与することにより、静電力を生じさせ可動部１０９を駆動することが可能となる。可動部１０９にはヒンジ部１１３を介し、固定電極２０５には図示しない配線を介して電圧が付与される。

本実施形態の光変調器１では、凹部１０３の深さと凹部２０３の深さとの合計距離により、光学ギャップＸの初期間隔ｈを定めている。光学ギャップＸは、可動部１０９側から入射された光を、可動反射膜１０５及び固定反射膜２０７間で一又は複数回にわたって反射させるためのものである。ここで、初期間隔ｈとは、電圧を付与していない場合の可動反射膜１０５と固定反射膜２０７間の距離をいう。

本実施形態の光変調器１では、可動反射膜１０５及び固定反射膜２０７の間で反射され、生じた光経路の異なる複数の光が互いに干渉することにより、所望の波長を有する光のみが選択的に出射光として出射されることになる。すなわち、光学ギャップＸに対応する干渉条件を満たさない波長の光は急激に減衰し、干渉条件を満たした波長の光のみが残って出射される（ファブリ・ペロー干渉計の原理）。したがって、駆動電圧を変化させ、可動反射膜１０５の位置を変位することにより、光学ギャップＸに応じて透過する光の波長を選択することが可能となる。

図８は、ＦＳＲを説明するための図である。本実施形態では、この光学ギャップの初期間隔ｈは、具体的には自由スペクトル領域（ＦＳＲ：Free Spectrum Range）に基づき決定される。ＦＳＲは、異なる次数のスペクトルが重ならないで、曖昧さ無しに決定できる波長範囲Δλをいい、例えば図８に示す領域をいう。

凹部１０３の底部に形成される可動反射膜１０５と凹部２０３の底部に形成される固定反射膜２０７との距離（初期間隔ｈ）は、例えば次式から決定される。
ｈ＝λ_m ²／（２ｎΔλ）
ここで、ｍは干渉次数で正の整数であり、λはｍ次における光の波長、Δλはｍ＋１
次とｍ次の波長の差、ｎは可動反射膜１０５と固定反射膜２０７との間の媒質の屈折率を示している。

また、選択的に所望の出射光を透過させるために必要な可動反射膜１０５の移動距離Δｈは、例えば次式から求められる。
Δλ＝λ_m+1−λ_m＝λ_m ²／（２ｎｈ）＝Δｈ（λ_m／ｈ）
このような式より算出された値に基づいて、光学ギャップの初期間隔ｈ及び移動距離Δｈは定められる。

また、可動反射膜１０５の移動距離Δｈの最大幅となる可動範囲は、凹部１０３の深
さにより定められる。また、凹部１０３の深さは、静電力を作用させる電極間距離（静電ギャップＹ）を定めることにもなる。
次に、本実施形態に係る光変調器１の製造方法について説明する。
図２乃至図３は、本実施形態の光変調器の形成方法を説明するための工程図である。

（第二の基板の準備工程）
図２（Ａ）に示すように、パイレックス（登録商標）ガラス、石英ガラスなどのガラスといった所望の光を透過し得る光透過性材料から構成される基板２０１に凹部２０３を形成する。

基板２０１は、のちの第一の基板１００との接合工程において、陽極接合を用いる場合は、例えばナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ金属を含有したガラスを用いることが好ましい。このようなガラスとしては、例えば、ホウケイ酸ナトリウムガラスを用いることができ、さらに具体的には、コーニング社製のパイレックス（登録商標）ガラス（商品名）を用いることができる。特に、陽極接合時にガラス基板を加熱するため、第一の基板１００として用いられるシリコン基板との熱膨張係数がほぼ等しいことが好ましい点を考慮すると、コーニング社製のコーニング＃７７４０（商品名）が最適である。

凹部２０３の形成は、具体的には、まず、ガラス製の基板２０１の一面側に、例えばＣｒ／Ａｕ（例えば、膜厚：０．０３／０．０７μｍ）をスパッタリング等により成膜し、図示しないエッチング保護膜を形成する。このエッチング保護膜に対し、凹部２０３を形成する領域が開口するようにフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングする。次に、フッ酸水溶液などのフッ酸系のエッチング溶液によるウェットエッチングにより、凹部２０３を形成する。その後、エッチング保護膜を除去する。

なお、凹部２０３の深さは、特に限定するものではないが、例えば１〜１００μｍ程度、好ましくは１〜５０μｍである。

次に、図２（Ｂ）に示すように、凹部２０３の周囲に駆動電極（固定電極）２０５を含む配線パターンを形成する。配線パターンは、ここでは例えばＣｒ／Ａｕをスパッタリング等により成膜し、形成する。但し、これに限られず、例えば配線パターンを形成する導電材料としては、他の金属又はＩＴＯ等の透明導電材料を用いてもよい。また、スパッタリングの他、蒸着法、イオンプレーティング法により形成してもよい。このような配線パターンを構成する導電層の厚さは、特に限定するものではないが、例えば０．１〜０．２μｍである。

次に、図２（Ｃ）に示すように、凹部２０３の底面に固定反射膜２０７を形成し、第二の基板２００の凹部２０３が形成されたのと反対側の面に反射防止膜２０９を形成する。固定反射膜２０７及び反射防止膜２０９を形成する順序は問わない。具体的には、固定反射膜２０７及び反射防止膜２０９としては、例えばＳｉＯ₂又はＴａ₂Ｏ₅等を積層し多層膜としたものが用いられ、各膜の膜厚を種々変化させることで形成される。このような固定反射膜２０７及び反射防止膜２０９は、例えば蒸着法により形成される。

なお、上記において、図２（Ａ）に示す工程で、ウェットエッチングを用いて凹部を形成したが、ドライエッチングで行ってもよい。

（第一の基板の準備工程）
図３（Ａ）に示すように、シリコン基板１０１に凹部１０３を形成する。具体的には、例えば、レジスト材を塗布してエッチング保護膜としてのフォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いたパターニング処理を行い、所定のパターンを形成する。その後、例えばＫＯＨ、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）水溶液、ＥＰＤ（エチレンジアミン−ピロカテコール−ジアジン）水溶液又はヒドラジン水溶液などのアルカリ水溶液を用いたウェットエッチング又は例えばＸｅＦ₂、ＣＦ₄又はＳＦ₆等を用いたドライエッチングによりエッチング処理することにより凹部１０３を形成することができる。

凹部１０３の深さは、特に限定するものではないが、例えば０．５〜１００μｍ程度、好ましくは１〜１０μｍである。凹部１０３の深さは、可動部１０９の可動範囲及び静電ギャップＹを定めることになる。

次に、図３（Ｂ）に示すように、凹部１０３の底部に可動反射膜１０５を形成し、基板１０１の凹部１０３を形成したのと反対側の面に反射防止膜１０７を形成する。可動反射膜１０５及び反射防止膜１０７は、固定反射膜２０７及び反射防止膜２０９と同様に形成される。可動反射膜１０５及び反射防止膜１０７の形成面積は特に限定するものではないが、後に形成される可動部１０９の当該可動部１０９が固定電極２０５と接触する領域を含み形成されていることが好ましく、特に、可動部１０９の第二の基板２００に対向する面全面に形成されていることが好ましい。可動反射膜１０５が上記のようにＳｉＯ₂又はＴａ₂Ｏ₅等の絶縁性材料により構成されている場合には、可動部１０９が駆動され、第二の基板２００側に引き寄せられた際に、可動部１０９が第二の基板２００に形成された固定電極２０５と直接接触することによる電気的短絡及び融着の問題を回避することができる。

（光変調器製造工程）
図３（Ｃ）に示すように、上記のように準備した第一の基板１００及び第二の基板２００を接合する。具体的には、第一の凹部１０３と第二の凹部２０３が対向するように第一の基板１００と第二の基板２００とを接合する。

第一の基板１００と第二の基板２００の接合は、第一の基板１００としてシリコン基板を用い、第二の基板２００としてホウケイ酸ガラス等のアルカリ金属含有ガラスを用いている場合には、例えば陽極接合により接合し得る。陽極接合によれば、接着剤を要せず、簡便に第一の基板１００と第二の基板２００とを直接接合することが可能となる。また、陽極接合以外の接合方法を採用してもよく、例えば、加熱加圧接合、Ａｕ−Ａｕ接合、はんだ接合等のメタライズによる合金接合、接着剤による接合なども用いることができる。

図３（Ｄ）に示すように、可動部１０９を形成する。具体的には、例えば、レジスト材を塗布してエッチング保護膜としてのフォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いたパターニング処理を行い、可動部１０９及び可動部１０９と第一の基板１００を連結するヒンジ部１１３（図１（Ｂ）参照）のパターンを形成する。その後、例えばＳＦ₆などのエッチングガスを用いてドライエッチングを行うことにより、可動部１０９を得る。

本実施形態の光変調器１によれば、第一の凹部１０３が設けられ第一の基板１００と第二の凹部２０３が設けられ第二の基板２００を接合することで光を変調するためのギャップ（可動反射膜と固定反射膜の初期間隔）を形成しているので、犠牲層をアンダーエッチングする必要がない。よって、犠牲層にエッチング液を導入するためのリリースホールを形成する必要がなく、可動反射膜を駆動するための静電力を作用させる面積を減少させることがない。また、可動反射膜と固定反射膜との間に生じるエッチング液の表面張力によるスティッキング（貼り付き現象）の問題等を回避することが可能となる。また、凹部を形成した基板同士を接合することで製造し得るので、簡便に製造し得る。さらに、従来の犠牲層を形成し可動反射膜をその上に形成した後、犠牲層を除去する方法では、犠牲層の成膜条件によってギャップバラツキが生じたが、本発明では、犠牲層を介することなく、形成した凹部の深さがそのまま可動反射膜と固定反射膜の初期間隔を定めることになるので、可動反射膜と固定反射膜の初期間隔（ギャップ）を精度よく制御し得る。また、第一の基板の第一の凹部と第二の基板の第二の凹部の径の大きさが異なることで、第一の凹部と第二の凹部により段差が形成される。この段差を利用して、例えば第二の基板の第二の凹部の周囲に可動反射膜を駆動させる力を生じさせる電極等の作用部を形成すれば、光の変調に利用し得る領域を広く確保しながら、作用部と可動反射膜との距離を縮めることができるので、駆動電力を低減することが可能となる。

なお、可動部１０９の形状は特に限定されず、略円形であっても、渦状であっても、孔部を有していてもよい。また、可動部１０９と第一の基板１００とを繋ぐヒンジ部１１３の形状及び数も特に限定されるものではない。

また、上記例では、電極としての可動部１０９と固定電極２０５との接触による電気的短絡を防止するため、可動部１０９全面に絶縁膜として作用する可動反射膜１０５を形成する例について説明した。但し、これに限らず、別途、可動部１０９の固定電極２０５と接触する部位にＳｉＯ₂等の絶縁膜を形成してもよい。また、固定電極２０５の上面に絶縁膜を設けてもよい。このような絶縁膜は、例えば、シリコンの熱酸化又はＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）−ＣＶＤ装置を使用したＳｉＯ₂の成膜等により形成することが可能である。

また、上記例では、図３（Ｂ）の工程において、可動反射膜１０５と反射防止膜１０７を共に形成したが、反射防止膜１０７については、図３（Ｄ）の可動部１０９を形成後に、形成してもよい。可動部１０９の形成後に反射防止膜１０７を形成することで、例えば、反射防止膜１０７への第一の基板１００と第二の基板２００との接合に加熱処理を用いた場合の熱的影響、又は、可動部１０９形成時のエッチング処理による影響を防止することが可能となる。なお、以下の実施形態でも同様である。

＜第二の実施形態＞
第一の実施形態では、第一の基板としてシリコン基板を用いた例について説明した。本実施形態では、第一の基板として、シリコン層３０１、３０５の間に、例えばＳｉＯ₂層などの絶縁層３０３を介在させたＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造を有する基板３０７を使用した例について説明する。

図４は、第二の実施形態に係る光変調器の製造方法を説明するための工程図である。図４において、図２及び図３に対応する要素については、同一符号を付して説明を省略する。

図４（Ａ）に示すように、第一の基板として、シリコン層３０５（ベースシリコン層ともいう）、ＳｉＯ₂層３０３及びシリコン層３０１（上部シリコン層、活性層ともいう）から構成されるＳＯＩ基板３０７を準備し、凹部１０３を形成する。

ＳＯＩ基板としては、シリコン基板にＣＶＤ法により絶縁層とシリコン層を形成したものを用いてもよく、貼り合せ基板を用いてもよい。また、シリコン基板に酸素イオンを注入することにより酸化膜層を形成した基板を用いてもよい。なお、後に可動部１０９となるシリコン層３０１は、電極として作用させるため、例えばボロン等の不純物を注入し、導電性を向上させていることが好ましい。

ＳＯＩ基板３０７としては、具体的には、ＳｉＯ₂などの絶縁膜（絶縁層）が成膜されたＳｉ基板に他のＳｉ基板を貼り合せた貼り合せ基板を用いることも可能である。また、Ｓｉ基板中に高濃度の酸素イオンを注入し、その後、例えば１３００℃以上の高温で熱処理することによって埋め込み酸化膜（ＢＯＸ : Buried Oxide）層を形成した基板を用いることもできる。

ＳＯＩ基板を構成する各層の厚みは特に限定するものではないが、例えば、シリコン層３０５（ベースシリコン層ともいう）が約５００μｍ、ＳｉＯ₂層３０３が約４μｍ、シリコン層３０１（上部シリコン層、活性層ともいう）が約１０μｍのものが用いられる。

シリコン層３０５は、例えば研磨等により、研削することにより所望の厚み、例えば０．５〜１００μｍ程度、好ましくは１〜１０μｍにする。

次に、例えば、ＳＯＩ基板３０７のシリコン層３０５にレジスト材を塗布してエッチング保護膜としてのフォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いたパターニング処理を行い、所定のパターンを形成する。その後、例えばＫＯＨなどのアルカリ水溶液を用いたウェットエッチング又は例えばＸｅＦ₂等を用いたドライエッチングによりエッチング処理することにより凹部３０９を形成することができる。また、エッチング処理の代わりに研磨を用いてもよい。

ここで、ＳｉＯ₂層３０３がエッチングストッパとして働くため、エッチング時間の制御を厳密に行わなくても、精度よく凹部１０３の深さを制御することが可能となる。

以下、より詳細にエッチング条件について説明する。
まず、ウェットエッチング処理を行う場合について説明する。
上記のようにエッチング保護膜を形成し、パターニング処理したＳＯＩ基板３０７を、例えば１〜４０重量％、好ましくは１０重量％前後の濃度のＫＯＨ水溶液に入れる。この際、ＳＯＩ基板３０７上で下記の反応が進む。

Ｓｉ＋２ＫＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → Ｋ₂ＳｉＯ₃＋２Ｈ₂
ＫＯＨ水溶液によるＳｉのエッチングレートは、ＳｉＯ₂層のエッチングレートより相当大きいので、ＳｉＯ₂層がエッチングストッパとして機能する。これにより、深さ精度よく凹部３０９が形成されることになる。

なお、ウェットエッチングに用いられるエッチング液としては、ＫＯＨ水溶液以外に、ＴＭＡＨ水溶液、ＥＰＤ水溶液又はヒドラジン水溶液等が挙げられる。ウェットエッチングによれば、バッチ処理が可能となるのでより生産性を向上させることが可能となる。

次に、ドライエッチング処理を行う場合について説明する。
チャンバー内に上記のようにエッチング保護膜を形成し、パターニング処理したＳＯＩ基板３０７を入れ、例えば圧力３９０ＰａのＸｅＦ₂を６０秒間導入する。この際、ＳＯＩ基板３０７上で下記の反応が進む。

２ＸｅＦ₂＋Ｓｉ → ２Ｘｅ＋ＳｉＦ₄
ＸｅＦ₂によるドライエッチングによれば、ＳｉＯ₂層のエッチングレートより相当大きいので、ＳｉＯ₂層がエッチングストッパとして機能する。これにより、深さ精度よく凹部３０９が形成されることになる。ＸｅＦ₂によるドライエッチングによれば、プラズマを用いないので、ＳＯＩ基板３０７の凹部１０３を形成したい領域以外の領域によりダメージ等の影響が生じ難い。なお、ＣＦ₄又はＳＦ₆を用いたプラズマエッチングを用いることを妨げるものではない。

次に、図４（Ｂ）に示すように、凹部１０３内のＳｉＯ₂層３０３を除去する。具体的には、ＳｉＯ₂層の除去は、フッ酸水溶液等のＨＦ系水溶液を用いたウェットエッチング処理により行われる。

その後の工程は、第一の実施形態の図３（Ｂ）〜図３（Ｄ）と同様に行われ、光変調器１を形成することが可能となる。なお、第二の基板２００は、第一の実施形態と同様のものを使用し得る。

本実施形態によれば、ＳＯＩ基板３０７を用いているので、凹部１０３を形成する際に、絶縁層としてのＳｉＯ₂層３０３をエッチングストッパとして利用することが可能となる。したがって、エッチング処理時間を厳密に調整しなくても深さ精度のよい、凹部１０３を形成することが可能となる。よって、より精度の高い光変調器を、より簡便に製造することが可能となる。

＜第三の実施形態＞
第二の実施形態では、シリコン層３０１、ＳｉＯ₂層３０３及びシリコン層３０５から構成されるＳＯＩ基板３０７を第一の基板として用いた場合について説明した。本実施形態では、第一の基板として、シリコン層４０１、ＳｉＯ₂層４０３、シリコン層４０５、ＳｉＯ₂層４０７及びシリコン層４０９の５層構成を有するＳＯＩ基板４１１を用いた場合について説明する。

図５は、第三の実施形態に係る光変調器の製造方法を説明するための工程図である。図５において、図２及び図３に対応する要素については、同一符号を付して説明を省略する。
図５（Ａ）に示すように、シリコン層４０１、ＳｉＯ₂層４０３、シリコン層４０５、ＳｉＯ₂層４０７及びシリコン層４０９の５層構成を有するＳＯＩ基板４１１を準備して、ＳＯＩ基板４１１のシリコン層４０１及びシリコン層４０９に各々凹部１１１及び凹部１０３を形成する。凹部１１１及び凹部１０３の形成は、第二の実施形態の図４（Ａ）の工程と同様の方法で行う。

次に、図５（Ｂ）に示すように、凹部１０３の底部に可動反射膜１０５を形成し、凹部１１１の底部に反射防止膜１０７を形成する。可動反射膜１０５及び反射防止膜１０７の形成は、第一の実施形態の図３（Ｂ）の工程と同様の方法で行う。
次に、第一の実施形態の図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）の工程と同様の方法で、光変調器１を製造する（図５（Ｄ）及び図５（Ｅ）参照）。

本実施形態によれば、第一の基板１００として、５層構造を有するＳＯＩ基板４１１を用い、ＳＯＩ基板４１１の両面に凹部１１１及び凹部１０３を形成することにより、可動部１０９を形成している。したがって、凹部１１１及び凹部１０３形成後においても、第一の基板１００の凹部１１１及び凹部１０３が形成された領域以外の領域の厚みが厚く残るので、凹部形成後の第一の基板１００強度が向上し、取扱いが容易となる。また、第一の基板１００の作業時における破損等を回避することが可能となり、歩留まりが向上する。

＜第四の実施形態＞
本実施形態では、第一の基板として第二の実施形態で用いたのと同様の、シリコン層３０１、３０５の間に、例えばＳｉＯ₂層などの絶縁層３０３を介在させたＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造を有する基板３０７を使用する。

本実施形態では、プロセス中の第一の基板の取扱いを容易とし、強度を補強するために、第一の基板に支持部材を接合した例について説明する。
図６は、第四の実施形態に係る光変調器の製造方法を説明するための工程図である。図６において、図２乃至図４に対応する要素については、同一符号を付して説明を省略する。

図６（Ａ）に示すように、支持部材が接合されたＳＯＩ基板３０７を準備する。
ＳＯＩ基板としては、第二の実施形態で用いたのと同様のシリコン層３０５（ベースシリコン層ともいう）、ＳｉＯ₂層３０３及びシリコン層３０１（上部シリコン層、活性層ともいう）から構成されるＳＯＩ基板３０７を用いられる。

また、支持部材（サポートウェハ）５０１としては、例えば、ガラス基板などが用いられる。
ＳＯＩ３０７と支持部材５０１とは、例えば後に剥離可能な方法で接合する。具体的には、例えば温度変化（例：加熱）、光照射等で剥離容易となる接着剤又は溶剤で溶出可能な可溶性接着剤を用いることにより、接合することができる。温度変化により剥離可能となる接着剤としては、例えばリバアルファ（日東電工社製）が挙げられる。

ＳＯＩ基板３０７のシリコン層３０５の厚みは、支持部材５０１との接合後に機械化学研磨（ＣＭＰ）などの方法で研削することで調整してもよい。

次に、図６（Ｂ）に示すように、シリコン層３０５及びＳｉＯ₂層３０３を段階的にエッチングすることにより、凹部１０３を形成する。なお、この工程は、第二の実施形態における図５（Ａ）の工程と同様の方法により行われる。

その後、図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）に示すように、凹部１０３の底部に可動反射膜１０５を形成し、ＳＯＩ基板３０７を第一の実施形態と同様の第二の基板２００と接合する。この工程は、第一の実施形態における図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）と同様の方法で行われる。

次に、図６（Ｅ）に示すように、支持部材５０１を剥離後、可動部１０９を形成する。この際、支持部材５０１とＳＯＩ基板３０７の接合に熱剥離性の接着剤５０３を用いた場合には、加熱処理により剥離を行う。また、特定の溶剤に可溶性の接着剤５０３を用いた場合には、所定の溶剤により剥離を行う。可動部１０９の形成については、第一の実施形態と同様の工程により行われる。

その後、図６（Ｆ）に示すように、可動部１０９の可動反射膜１０５を形成した面と反対側の面に反射防止膜１０７を形成することにより、光変調器１を製造することができる。

本実施形態によれば、支持部材５０１を用いることにより、第一の基板１００の強度を補強することが可能となるので、第一の基板１００の厚みを薄く形成した場合においても強度が保持されることになるので、取扱いが容易となり、作業性が向上する。また、第一の基板１００の作業時における破損等を回避することが可能となり、歩留まりが向上する。また、可動部１０９の厚みを薄くすることが可能となるので、光変調器の可動性が増す。さらに、静電力を作用させる静電ギャップＹの大きさである凹部１０３の深さを浅くすることも可能となり、静電力をより効果的に作用させることが可能となる。

なお、本例では、第一の基板１００としてＳＯＩ基板を用いたが、第一の基板１００としてシリコン基板を用い、支持部材５０１を接合し、同様の工程で光変調器１を形成することで、支持部材５０１による同様の効果が得られる。

＜第五の実施形態＞
本実施形態では、第一の基板が底部基板と枠体から構成される例について説明する。
図７は、第五の実施形態に係る光変調器の製造方法を説明するための工程図である。図７において、図２乃至図６に対応する要素については、同一符号を付して説明を省略する。

図７（Ａ）に示すように、第一の実施形態と同様の方法により準備した第二の基板２００に、例えばシリコン等から構成される基板６０１を接合する。
この基板６０１はスペーサとして用いられ、この基板６０１の厚みが、後に静電ギャップＹ及び可動部１０９の可動範囲を定めることになる。

基板６０１と第二の基板２００の接合は、基板６０１がシリコン基板であり、第二の基板２００がホウケイ酸ガラス等のアルカリ金属を含むガラス基板である場合には、陽極接合により接合することが可能である。また、陽極接合以外にも、例えば、加熱加圧接合、Ａｕ−Ａｕ接合、はんだ接合等のメタライズによる合金接合、接着剤による接合なども用いることができる。

図７（Ｂ）に示すように、基板６０１に貫通孔６０３を形成し、後に接合する底部基板６０７と凹部１０３を形成することになる枠体６０５を形成する。貫通孔６０３の形成は、例えばＸｅＦ₂を用いたドライエッチングにより行われる。なお、エッチングガスとして他のガスを用いてもよく、また、ＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いたウェットエッチングにより行ってもよい。

図７（Ｃ）に示すように、枠体６０５を接合した第二の基板２００に接合するための、支持部材５０１で支持された底部基板６０７を準備する。

底部基板６０７は、第四の実施形態と同様に例えば接着剤５０３を介して支持部材５０１と接合される。底部基板６０７としては、シリコン基板が用いられる。底部基板６０７は、支持部材５０１に接合後に、ＣＭＰ等の方法により切削することで厚みを調整してもよい。底部基板６０７の厚みは、後に形成される可動部１０９の厚みとなる。

また、底部基板６０７の支持部材５０１が接合されたのと反対側の面に、可動反射膜１０５を形成する。可動反射膜１０５については、第一の実施形態と同様に形成し得る。

図７（Ｄ）に示すように、枠体６０５と底部基板６０７を接合する。枠体６０５と底部基板６０７の接合は、枠体６０５及び底部基板６０７がシリコンで構成されている場合には、例えば表面活性化接合により行うことができる。また、これ以外に、低融点ガラスを用いた接合、加熱加圧接合、Ａｕ−Ａｕ接合、はんだ接合等のメタライズによる合金接合、接着剤による接合法なども用いることができる。

その後、図７（Ｅ）に示すように、第四の実施形態の図６（Ｅ）及び図６（Ｆ）と同様の工程により、支持部材５０１を剥離し、反射防止膜１０７を形成することにより、光変調器１を得ることができる。

本実施形態によれば、枠体６０５と底部基板６０７とにより凹部１０３を形成するので、枠体６０５の厚みにより可動部１０９の可動範囲及び静電ギャップＹを定めることが可能となる。また、枠体６０５に使用する基板６０１の厚みを調整することで、凹部１０３の深さが決まるので、エッチング時間を厳密に制御する必要がない。よって、精度が向上した光変調器１を簡便な方法で提供することが可能となる。

図１は、本発明の光変調器の一例を示す図である。 図２は、本実施形態の光変調器の形成方法を説明するための工程図である。 図３は、本実施形態の光変調器の形成方法を説明するための工程図である。 図４は、第二の実施形態に係る光変調器の製造方法を説明するための工程図である。 図５は、第三の実施形態に係る光変調器の製造方法を説明するための工程図である。 図６は、第四の実施形態に係る光変調器の製造方法を説明するための工程図である。 図７は、第五の実施形態に係る光変調器の製造方法を説明するための工程図である。 図８は、ＦＳＲを説明するための図である。

符号の説明

１・・・光変調器、１００・・・第一の基板、１０１・・・シリコン基板、１０３・・・凹部、１０５・・・可動反射膜、１０７・・・反射防止膜、１０９・・・可動部、１１１・・・凹部、２００・・・第二の基板、２０１・・・基板、２０３・・・凹部、２０５・・・固定電極、２０７・・・固定反射膜、２０９・・・反射防止膜、３０１・・・シリコン層、３０３・・・ＳｉＯ₂層、３０５・・・シリコン層、３０７・・・基板、３０９・・・凹部、４０１・・・シリコン層、４０３・・・ＳｉＯ₂層、４０５・・・シリコン層、４０７・・・ＳｉＯ₂層、４０９・・・シリコン層、４１１・・・基板、５０１・・・支持部材、５０３・・・接着剤、６０１・・・基板、６０３・・・貫通孔、６０５・・・枠体、６０７・・・底部基板、Ｘ・・・光学ギャップ、Ｙ・・・静電ギャップ

Claims (18)

1. 底部が可動部となる第一の凹部が設けられ、前記可動部に可動反射膜が形成された第一の基板と、
   前記第一の凹部と対向する位置に前記第一の凹部の径よりも小さい径を有する第二の凹部が設けられ、当該第二の凹部の底部に固定反射膜が形成された第二の基板と、を備え、
   前記第一の凹部の深さが可動反射膜の可動範囲を定め、前記可動反射膜と前記固定反射膜との間隔により光学ギャップが定められることを特徴とする光変調器。
2. 前記第一の基板がシリコン基板であり、前記第二の基板がガラス基板である、請求項１に記載の光変調器。
3. 前記第一の基板が複数のシリコン層の間に絶縁層を備えた積層基板であり、前記第二の基板がガラス基板である、請求項１に記載の光変調器。
4. 前記可動部と前記第二の基板に設けられた電極とに電圧を付与することにより生じる静電力により前記可動部が駆動可能に構成されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器。
5. 前記可動部の前記第二の凹部と対向する面全体に前記可動反射膜が形成されており、当該可動反射膜が電気的絶縁性を有する、請求項４に記載の光変調器。
6. 前記第一の基板が、前記底部を構成する底部基板と当該底部基板に接合される枠体とから構成されている、請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調器。
7. 第一の基板の一方の面をエッチングして、可動反射膜の可動範囲を定める第一の凹部を形成する第一工程と、
   第二の基板の一方の面をエッチングして、前記第一の凹部の径より小さい径を有する第二の凹部を形成する第二工程と、
   前記第一の凹部と前記第二の凹部が対向するように前記第一の基板と前記第二の基板を接合する第三工程と、
   前記第一の凹部の底部を可動部となる領域を残して除去することにより、当該底部に可動部を形成する第四工程と、
   を含むことを特徴とする光変調器の製造方法。
8. 前記第一の基板がシリコン基板であり、前記第二の基板がガラス基板である、請求項７に記載の光変調器の製造方法。
9. 前記第一の基板が複数のシリコン層の間に絶縁層を含む積層基板であり、前記第一工程において、前記絶縁層をエッチングストッパとして利用することにより前記第一の凹部を形成する、請求項７に記載の光変調器の製造方法。
10. 前記第一の基板が複数のシリコン層の間に少なくとも２層の絶縁層を含み、前記第一工程において、前記第一の基板の前記第一の凹部を形成する面と反対側の面の当該第一の凹部と対応する位置に、前記絶縁層をエッチングストッパとして利用することにより第三の凹部を形成する工程を含む、請求項９に記載の光変調器の製造方法。
11. 少なくとも前記第三工程において、前記第一の基板に、前記第一の基板を支持するための取り外し可能な支持部材が取り付けられている、請求項７乃至１０のいずれかに記載の光変調器の製造方法。
12. 前記第三工程の前に、前記第二工程により得られたガラス基板の前記第二の凹部の周囲であって、前記第一の凹部と対向する位置に電極を形成する、請求項７乃至１１のいずれかに記載の光変調器の製造方法。
13. 前記第三工程の前に、前記第一の凹部の底面に可動反射膜となる反射層を形成する、請求項７乃至１１のいずれかに記載の光変調器の製造方法。
14. ガラス基板の一方の面をエッチングして、凹部を形成する第一工程と、
    前記ガラス基板の凹部が形成された面に第一のシリコン基板を接合する第二工程と、
    前記第一のシリコン基板の前記凹部と対応する位置に、当該凹部より大きな孔部を形成する第三工程と、
    前記第一のシリコン基板の反対側の面に第二のシリコン基板を接合する第四工程と、
    前記第二のシリコン基板を可動部となる領域を残して除去することにより、当該第二のシリコン基板に可動部を形成する第五工程と、
    を含むことを特徴とする光変調器の製造方法。
15. 少なくとも前記第四工程において、前記第二のシリコン基板に、当該第二のシリコン基板を支持するための取り外し可能な支持部材が取り付けられている、請求項１４に記載の光変調器の製造方法。
16. 光が通過し得る材料から構成され、凹部が形成された第一の基板と、
    前記凹部を覆う可動部が形成された第二の基板と、
    前記凹部の底部に形成された固定反射膜と、
    前記可動部に形成された可動反射膜と、
    前記可動部を前記凹部の底部に向けて付勢する付勢手段と、
    前記可動反射膜と前記固定反射膜を予め定められた間隔に保つストッパと、
    を備え、前記可動反射膜と前記固定反射膜との間隔によって出射する光の波長を決定し得る光変調器。
17. 前記ストッパが前記凹部の縁に沿って形成される段差である、請求項１６に記載の光変調器。
18. 前記付勢手段が、前記凹部の縁に沿って形成された駆動電極である、請求項１６又は請求項１７に記載の光変調器。
    
    
    

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